镱铝硅光纤激光器的性能研究

发布时间：2020-10-13 11:17

　　 随着科技的进步,光纤激光器由于高功率、高亮度和高效率等优点广泛应用于医疗和军事等领域,成为新一代激光器的代表。掺镱光纤激光器在高功率输出方面具有巨大潜力,以镱为核心增益介质的特种光纤的制备则直接影响着高功率光纤激光器的输出性能。本论文对镱掺杂铝硅二元体系光纤进行材料表征性能和激光性能研究,同时结合理论方法对其进行微观结构计算,并与实验结果进行对比分析,为掺镱光纤材料本征特性提供理论解释。最后对镱铝硅光纤研究结果进行综合分析,为改进镱掺杂光纤的配方与制作工艺提供数据对比,并提供相应改进意见。本论文主要研究内容如下:(1)采用螯合物气相掺杂法制备双包层镱掺杂铝硅光纤,并介绍理论计算的研究方法,即采用分子动力学模拟淬火过程得到熔石英模型,基于密度泛函理论的第一性原理对模型进行结构优化。(2)采用理论与实验相结合的方法对镱铝硅光纤进行材料表征性能研究。实验中对光纤进行截面元素分布、折射率分布、吸收光谱等性能表征测试,结果表明纤芯中的元素掺杂浓度和折射率分布相对均匀,但吸收能力相对较弱。理论计算中,构建Yb-AlSi团簇模型并进行性质计算,从原子层面证实了Yb离子在光纤中存在价态为+3价,以及吸收波长在976 nm附近,同时说明理论计算的可行性。(3)自主搭建镱铝硅光纤激光器测试系统,对光纤激光进行性能研究。主要包括对光纤进行斜率效率、激光光谱、光束质量、输出激光稳定性等方面测试。研究结果表明,输出激光光谱很纯净,泵浦光吸收完全,未出现非线性效应,在最高功率下进行长时间稳定性考核过程中输出功率未出现明显下降现象,但激光输出效率低下,光束质量因子增大,说明光纤内出现模式竞争,此现象不利于高功率激光输出。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

功率与高效率等优势逐步得到重视与发展，并且在激光器与放大器方面取得??的研宄进展。如今，高功率掺镱光纤激光器的发展处于日新月异的状态，鉴??在医疗、工业、国防科技等领域的广泛用途，如何快速发展出更高功率的光??光器已成为评判国家科研能力的一项重要标准，并且目前高功率掺镱光纤激??市场的发展与竞争己进入白热化阶段。??１国外高功率掺镱光纤激光器发展现状??科技才能强国，激光技术的出现与发展是２０世纪最伟大的发明之一，影响??球的发展与进步。目前掺镱光纤激光器己广泛应用于工业市场中，但在高性??镱光纤以及高功率掺镱光纤激光器的研制方面，具有较高的技术壁垒，国外??科学院、耶拿大学、英国南安普顿大学等各个研究机构，此外还有ＩＰＧ、??ｒｅｎｔ、Ｔｒｕｍｐｆ、ｎＬｉｇｈｔ等公司，在国内光纤激光器领域中明显占据很大的市??额，其中１ＰＧ公司身为光纤激光器发展领域巨头，更是占据主导地位。图??述了国外各年份掺镱光纤激光器最高功率的研宄与发展现状，截至目前报??知，单模光纤激光器输出功率达到２０?ｋＷ，而多模光纤输出功率高达到１００??也是目前为止，掺镱光纤激光器的最高功率输出记录。??

１９９８?２０００?２００２?２００４?２００６?２００８?２０１０?２０１２?２０１４??Ｙｅａｒ??图１－１国外掺镱高功率光汗激光器发展现状（ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ，ＳＭ：单模，ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ，ＭＭ：多??模）。??１９８８年，由于双包层光纤结构设计的出现，使得多模的高功率泵浦光注入??到内包层中，增大纤芯吸收，提高输出功率与激光效率，实现光纤激光器高功率??输出的可能［１７］。１９９９年，Ｖｉｎｃｅ?Ｄｏｍｉｎｉｃ等人实现掺Ｙｂ光纤激光器１１０?Ｗ连续??３??

（８＋１）型双向泵浦１１．２３?ｋＷ输出，该科研成果是我国在分布式侧面泵浦技术和??国产光纤激光材料领域的最高激光输出纪录另外，也实现单纤３?ｋＷ、６．８５??ｋＷ以及１０?ｋＷ输出［４Ｍ３１。如图１－３，简明且直观的显示了近年来国内高功率掺镱光??纤激光器发展现状。??个??ＰＩＬＦ－ｆｉｂｅｒ：?１０?ｋＷ??１００００?？??８０００?－??／?￥Ｍ?ｋＷ??＾?６０００?－??Ｉ?／??＜４０００－??ＳＭ＝３?ｋＷ／??細．?撕：丨層?ＳＭ＝＇－５＾??．?Ｍ?——?■??■■??Ｉ??０?Ｌ?■？?＊?■．?？?ｉ?１?．?ｉ?．?ｔ?，?＿?ｉ?ｉ?．?）?．??１９９８?２００１?２００４?２００７?２０１０?２０１３?２０１６?２０１９??Ｙｅａｒ??图１－３国内高功率掺镱光纤激光器发展现状。??此外，如武汉锐科，是国内光纤产业的龙头，己发展多种类型激光器与相应??光纤光栅器件，逐渐占据市场份额。由此可见，国内光纤激光器的发展越来越迅??速，逐渐追赶国际水平，但在批量生产、产业化应用、更高功率掺镱光纤激光器??与光纤器件研制等方面还有明显差距。如若缩小差距，打破技术壁垒，就要对掺??镱光纤制备工艺的改进投入大量实验与研究，使其在国防及工业领域中发挥应有??的作用。镱掺杂铝硅是掺杂光纤最基本的组成成分，最优的镱掺杂铝硅（Ｙｂ－ＡｌＳｉ）??二元体系光纤制备配方与工艺
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本文编号：2839099